電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設計

1、電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設計 HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING 實訓報告 題 目 十機架連軋機分部傳動直流調(diào)速系統(tǒng)的設計 學生姓名 李 東 盼 專業(yè)班級 電氣工程1222 學 號 201250712138 系 部 電氣信息工程學院 指導教師 程 輝 完成時間 2014年 1 月 3 日 實訓報告評語一、實訓期間個人表現(xiàn) 1.尊敬師長，團結他人，能吃苦耐勞。 2.在現(xiàn)場能堅持不遲到，不早退，勤奮學習。 3.出現(xiàn)少于3次遲到和早退現(xiàn)象，表現(xiàn)一般。 4.能主動向指導老師提問，能積極做好各項設計任務。 5.在實訓中能靈活運用相關專業(yè)知識，有較強的創(chuàng)新意識。二、實訓報告內(nèi)容完

2、成質量 1.能按時完成報告內(nèi)容等實訓成果資料，無任務遺漏。 2.能按時完成報告內(nèi)容等實訓成果資料，有少許任務遺漏。 3.不能按時完成報告內(nèi)容等實訓成果資料，有多處任務遺漏。 4.條理清晰，書寫規(guī)范工整，圖文并茂，報告內(nèi)容全面，主要內(nèi)容闡述詳細，能體現(xiàn)實訓過程中做了大量工作，與專業(yè)相關知識能緊密聯(lián)系，認識體會深刻，起到了實訓的作用。 5.條理清晰，書寫規(guī)范工整，圖文并茂，報告內(nèi)容全面，主要內(nèi)容闡述詳細，能體現(xiàn)實訓過程中做了大量工作，與專業(yè)相關知識能較緊密聯(lián)系，認識體會較深刻，起到了實訓的作用。 6.條理清晰，書寫較規(guī)范工整，報告內(nèi)容全面，主要內(nèi)容闡述較詳細，能體現(xiàn)實訓工作過程，能與專業(yè)相關知識聯(lián)

3、系起來，認識體會較深刻，起到了實訓的作用。 7.條理較清晰，書寫較規(guī)范工整，報告內(nèi)容較全面，主要內(nèi)容闡述較詳細，能體現(xiàn)實訓過程中的相關工作，與專業(yè)相關知識不能緊密聯(lián)系，認識體會不太深刻，基本起到了實訓的作用。 8.內(nèi)容有雷同現(xiàn)象。三、成績不合格原因 1.實訓期間曠課超過3次。 2.報告有嚴重抄襲現(xiàn)象。 3.未同時上交實訓報告。 四、需要改進之處 1.進一步端正實訓態(tài)度。 2.加強報告書寫的規(guī)范化訓練，對主要內(nèi)容要加強理解。 3.加強相關專業(yè)知識的學習，深刻理解各設計步驟具體的要求。 五、其他說明等 級： 評閱人： 職稱： 講師 年 月 日交直流調(diào)速系統(tǒng)的設計摘要 直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣精度

4、高動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點，因此本設計運用電力拖動控制系統(tǒng)的理論知識設計出可行的直流調(diào)速系統(tǒng)，并詳細分析系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能，且利用SIMULINK對系統(tǒng)進行各種參數(shù)的給定下的仿真。通過建模、仿真驗證理論分析的正確性。也可以制作硬件電路。同時通過本次課程設計能夠加強我們對一些常用單元電路的設計、常用集成芯片的使用以及對電阻、電容等元件的選擇等的工程訓練。達到綜合提高我們的工程設計與動手能力的目的。各個仿真結果都基本上符合設計要求。關鍵詞：直流電機、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、MATLAB/SIMULINK仿真目錄交直流調(diào)速系統(tǒng)的設計3摘要3緒論51 方案選擇部分61.1設計要求61.2調(diào)速的方案

5、選擇61.2.1直流電動機的選擇71.2.2動機供電方案的選擇71.2.3系統(tǒng)的結構選擇71.2.4直流調(diào)速系統(tǒng)的總體結構框圖71.3主電路的計算81.3.1整流變壓器的計算81.3.2晶閘管元件的選擇91.3.3晶閘管保護環(huán)節(jié)的計算91.3.4平波電抗器的計算111.4觸發(fā)電路的選擇與校驗121.5控制電路的計算121.5.1給定電源和給定環(huán)節(jié)的設計121.5.2轉速檢測環(huán)節(jié)和電流檢測環(huán)節(jié)的設計與計算、調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)設計131.6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)設計131.6.1電流調(diào)節(jié)器的設計131.6.2 轉速調(diào)節(jié)器的設計142 MATLAB仿真162.1 系統(tǒng)的建模與參數(shù)設置162.1.1

6、 開環(huán)物理模型的構建162.1.2 單閉環(huán)物理模型的構建172.1.3 雙閉環(huán)物理模型的構建182.2系統(tǒng)動態(tài)仿真結果的輸出及結果分析182.2.1 開環(huán)數(shù)學模型182.2.2 單閉環(huán)數(shù)學模型及其仿真結果192.2.3 雙閉環(huán)數(shù)學模型及其仿真結果202.3系統(tǒng)仿真結果總體分析202.3.1.電機轉速曲線202.3.2.電機電流曲線213.心得及總結22參考文獻23緒論在電氣時代的今天，電動機在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔?。直流電機是最常見的一種電機，在各領域中得到廣泛應用。研究直流電機的控制和測量方法，對提高控制精度和響應速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。電機調(diào)速問題一直是自動化

7、領域比較重要的問題之一。不同領域對于電機的調(diào)速性能有著不同的要求，因此，不同的調(diào)速方法有著不同的應用場合。雙閉環(huán)（轉速環(huán)、電流環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當前應用廣泛，經(jīng)濟，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應快、抗干擾能力強的優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉矩。直流電動機具有良好

8、的起動、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。從控制的角度來看，直流調(diào)速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎。早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試困難，阻礙了直流電動機控制技術的發(fā)展和應用范圍的推廣。隨著單片機技術的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術來完成，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達到更高的性能。采用單片機構成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。1 方案選擇部分1.1

9、 設計要求(1電樞回路總電阻取R=2Ra; 總分輪力矩GD2=2.5GDa2=2.5*58.02NM2，極對數(shù)P=1。（2）其它未盡參數(shù)可參閱教材第二章2.3.2節(jié)中“工程設計方法在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的應用”的有關數(shù)據(jù)。（3）要求：調(diào)速范圍D=10,靜差率S<=5%,穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量I%<=5%,電流脈動系數(shù)SI<=10%;啟動到額定轉速時的轉速退飽和超調(diào)量N<=10%.(4)要求系統(tǒng)具有過流，過壓，過載和缺相保護。（5）要求觸發(fā)脈沖有故障封鎖能力。 (6)要求對拖動系統(tǒng)設置給定積分器。1.2 調(diào)速的方案選擇1.2.1 直流電動機的選擇根據(jù)設計要求，本次課程設計

10、采用Z2-91型直流電動機。1.2.2 電動機供電方案的選擇三相全控橋式整流器電路采用共陰極接法的三相半波和共陽極接法的三相半波的串聯(lián)組合，由于共陰極組在正半周導電，流經(jīng)變壓器的是正向電流；共陽極組在負半周導電，流經(jīng)變壓器的是反向電流，因此變壓器繞組中沒有直流磁通，且每相繞組正負半周都有電流流過，提高了變壓器的利用率，且直流側脈動較小，元件利用率較好，無直流磁化同時波形畸變較小，故選擇三相全控橋式整流電路可用來給直流電機供電。1.2.3 系統(tǒng)的結構選擇工業(yè)上，為了提高生產(chǎn)效率和加工質量，充分利用晶閘管元件及電動機的過載能力，要求實現(xiàn)理想啟動，即要求在啟動過程中，是啟動電流一直保持最大允許值，此

11、時電動機以最大轉矩啟動，轉速迅速以直線規(guī)律上升，以縮短啟動時間；啟動結束后，電流從最大值迅速下降為負載電流值且保持不變，轉速維持給定轉速不變。又因調(diào)速精度要求較高，故采用轉速電流雙閉環(huán)負反饋調(diào)速系統(tǒng)。啟動時，讓轉速外環(huán)飽和不起作用，電流內(nèi)環(huán)起主要作用，調(diào)節(jié)啟動電流一直保持最大允許值，使轉速線性變化，迅速達到給定值；穩(wěn)態(tài)運行時，轉速負反饋外環(huán)起主要作用，使轉速隨轉速給定器的變化而變化，電流內(nèi)環(huán)跟隨轉速外環(huán)調(diào)節(jié)電動機的電樞電流以平衡負載電流。1.2.4 直流調(diào)速系統(tǒng)的總體結構框圖 圖1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的總體結構框圖采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，可以近似在電機最大電流（轉矩）受限的條件下，充分利用電機的允許

12、過載能力，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，又可以讓電流迅速降低下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行，此時起動電流近似呈方形波，而轉速近似是線性增長的，這是在最大電流（轉矩）受到限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。采用轉速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，這樣就可以實現(xiàn)在起動過程中只有電流負反饋，而它和轉速負反饋不同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，只靠轉速負反饋，不靠電流負反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動態(tài)性能。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于時表現(xiàn)為轉速無靜差，這時，轉

13、速負反饋起主調(diào)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。得到過電流的自動保護。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。在動態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動和升速過程中表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性，在動態(tài)抗擾性能上，表現(xiàn)在具有較強的抗負載擾動，抗電網(wǎng)電壓擾動。1.3 主電路的計算1.3.1 整流變壓器的計算1.3.1.1整流變壓器二次側電壓計算整流變壓器二次側電壓計算公式：U2=（11.2） 查表知，三相全控橋式整流電壓的計算系數(shù)KUV=2.34，電網(wǎng)電壓波動系數(shù)b=0.900.95，查表知角，考慮10°裕量，故cosmin=0.985,由電機參數(shù)可知UN=230V,代入公式計算出U2U2=(11.2)=110.9133.

14、08V取U2=120V,變比K=1.831.3.1.2 一次、二次側電流計算一次側電流：= 考慮變壓器自身的勵磁電流時，應乘以1.05左右的系數(shù)，查表知，一次相電流計算系數(shù)KIL=0.816，由電機參數(shù)可知=209A,代入公式計算出=1.05*0.816*209/1.83=97.85A二次側電流：I2=KIVIdN 查表知，二次相電流計算系數(shù)KIV=0.816，一般取整流器額定直流電流ID=IN，由電機參數(shù)知IN=209A,代入公式算出I2=0.816*209=170.544A1.3.1.3變壓器容量的計算變壓器一次、二次繞組相數(shù)m1=m2=3一次容量：S1=m1U1I1 =3*220*97.

15、85=64.58KVA二次容量：S2=m2U2I2=3*120*170.54=61.39KVA平均電容：S=(64.58+61.39)/2=62.99KVA1.3.2 晶閘管元件的選擇晶閘管的選擇主要是根據(jù)整流器的運行條件，計算晶閘管電壓、電流值，選出晶閘管的型號規(guī)格，在工頻整流裝置中一般選擇KP型普通晶閘管，其主要參數(shù)為額定電壓、額定電流值。1.3.2.1額定電壓UTN的選擇，應考慮下列因素。a 分析電路運行時晶閘管可能承受的最大電壓值。 b 考慮實際情況，系統(tǒng)應留有足夠的裕量，通常可考慮23倍的安全裕量，按下列公式計算，即 UTN=（23）KUTU2=(23)*2.45*120=58888

16、2V查表知，晶閘管的電壓計算系數(shù)KUT=2.45。1.3.2.2額定電流IT(AV)的選擇，晶閘管是一種過載能力較小的元件，選擇額定電流時，應留有足夠的裕量，通?？紤]選擇1.52倍的安全裕量。按下列公式計算，即 IT(AV)=2*KIT*Idmin=2*0.367*209*1.5=230.109A可知應選擇型號為KP240-10的晶閘管1.3.3 晶閘管保護環(huán)節(jié)的計算晶閘管有換相方便，無噪音的優(yōu)點。設計晶閘管電路除了正確的選擇晶閘管的額定電壓、額定電流等參數(shù)外，還必須采取必要的過電壓、過電流保護措施。正確的保護是晶閘管裝置能否可靠地正常運行的關鍵。1.3.3.1交流側過電壓保護措施A.阻容吸收

17、保護 即在變壓器二次側并聯(lián)電阻R()和電容C（uf）的串聯(lián)支路進行保護，對于大電容的的晶閘管裝置，采用圖1.2所示的接法 圖1.2 交流側阻容吸收保護 電容值 C>=6Iem(uf)=6*0.1*62.99/1202=2.625uf式中S-變壓器容量（KVA）； U2-變壓器二次相電壓有效值（V）；Iem-變壓器勵磁電流百分數(shù)，對于10100KVA的變壓器，一般為10%4%；電阻值 RC=5U21/I21=5*120/170.544=3.518B.非線性電阻保護方式非線性電阻保護方式主要硒堆和壓敏電阻的過電壓保護。壓敏電阻的標稱電壓U1Ma=1.3U=1.3*120=220.6V式中 U

18、-壓敏電阻兩端正常工作電壓有效值（V）。C.直流側過電壓保護 直流側過電壓保護可以用阻容或壓敏電阻保護，但采用阻容保護容易影響系統(tǒng)的快速性，并造成di/dt加大，一般只用壓敏電阻作過壓保護。壓敏電阻的標稱電壓U1Ma>=2=2*2.34U2=2*2.34*120=561.6V1.3.3.2晶閘管及整流二極管兩端的過電壓保護 為了抑制晶閘管的關斷過電壓，通常采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護電路的方法，阻容保護元件參數(shù)可以根據(jù)查經(jīng)驗數(shù)據(jù)表得到。晶閘管額定電流102050100200500100電容（uf）0.10.150.20.250.511電阻（）1008040201052表1.1 阻容保護的

19、原件參數(shù)1.3.3.3過電流保護 快速熔斷器是最簡單有效的過電流保護器件，與普通熔斷器相比，具有快速熔斷的特性，在發(fā)生短路后，熔斷時間小于20毫秒，能保證在晶閘管損壞之前自身熔斷，避免過電流損壞晶閘管，圖1.3接法對過電流保護最有效。 圖1.3 快速熔斷器的安裝方法1.3.3.4電壓和電流上升率的限制 不同規(guī)格的晶閘管對最大的電壓上升率及電流上升率有相應的規(guī)定，當超過其規(guī)定的值時，會使晶閘管誤導通。限制電壓及電流變化率的方法有 A交流進線電抗器限制措施，交流進線電抗器LB的計算公式為 LB=8.96H式中 交流器輸出額定電流IdN，電源頻率f,變壓器二次相電壓U2B在橋臂上串聯(lián)空心電感，電感值

20、取2030H為宜。C在功率較大或頻率較高的逆變電路中，接入橋臂電感后，會使換流時間增長，影響正常工作，而經(jīng)常采用將幾只鐵氧磁環(huán)套在橋臂導線上，使橋臂電感在小電流時磁環(huán)不飽和，電感量大，達到限制電壓上升率和電流上升率的目的，還可以縮短晶閘管的關斷時間。1.3.4 平波電抗器的計算晶閘管整流器的輸出直流電壓是脈動的，為了限制整流電流的脈動、保持電流連續(xù)，常在整流器的直流輸出側接入帶有氣隙的電抗器，稱作平波電抗器。1.3.4.1電動機電樞電感*1000=8*230*1000/(2*1*1450*209)=3.04mH對于快速無補償電動機取8，磁極對數(shù)p=2。1.3.4.2變壓器電感為=3.9*0.0

21、5*120/209=0.12mH式中=0.05。1.3.4.3平波電抗器的選擇。維持電流連續(xù)時的為=0.693*120/(0.05*209)-(2*0.12+3.04) =4.68(mH)式中，。限制電流的脈動系數(shù)=5%時，值為=1.045*120/(0.05*209)-3.14=3.14=8.72（mH）取兩者中較大的，故選用平波電抗器的電感為8.72mH時，電流連續(xù)和脈動要求能同時滿足。1.4 觸發(fā)電路的選擇與校驗觸發(fā)電路可選擇鋸齒波同步觸發(fā)電路，也可選擇KC系列集成觸發(fā)電路。此系統(tǒng)選擇集成觸發(fā)電路，其優(yōu)點是體積小，功耗低，調(diào)試方便，性能穩(wěn)定可靠。其缺點是移相范圍小于180°，為

22、保證觸發(fā)脈沖對稱度，要求交流電網(wǎng)波形畸變率小于5%。適用范圍：廣泛應用于各種晶閘管裝置中。 選用集成電路MC787組成的三相觸發(fā)電路，如圖2-5所示。該集成塊由同步過零、鋸齒波形成電路、比較電路、抗干擾鎖定電路、調(diào)制脈沖發(fā)生器、脈沖形成電路、脈沖分配及驅動電路組成。 圖1.4 MC787組成的三相觸發(fā)電路原理接線圖圖1.4的三相觸發(fā)電路原理接線圖，可作為觸發(fā)三相全控橋或三相交流調(diào)壓晶閘管電路。其中三相電壓的零線和電源共地，同步電壓經(jīng)RC組成的T形網(wǎng)絡濾波分壓，并產(chǎn)生30°相移，經(jīng)電容耦合電路取得同步信號，電路輸出端采用等值電阻進行1/2分壓，以保證對稱。輸出端由大功率管驅動，可配接脈

23、沖變壓器觸發(fā)晶閘管。1.5 控制電路的計算1.5.1 給定電源和給定環(huán)節(jié)的設計根據(jù)電路要求，選用穩(wěn)壓管、晶閘管、集成穩(wěn)壓管等組成，本設計采用集成穩(wěn)壓管的可調(diào)輸出電路。由于放大器輸出電壓和輸出電壓極性相反，而觸發(fā)器的移相控制電壓VC又為正電壓，故給定電壓UG就為負電壓，而一切反饋均取正值，為此給定電壓與觸發(fā)器共用一個10V的電源，用一個2.2K,1W電位器引出給定電壓。1.5.2 轉速檢測環(huán)節(jié)和電流檢測環(huán)節(jié)的設計與計算、調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)設計1.5.2.1測速發(fā)電機的選擇 有電機參數(shù)可知選用的直流測速發(fā)電機的參數(shù)有:額定電壓ETG=40V,nTG=2000r/min 負載電阻RTG=2K的電位器

24、。由于主電動機的額定轉速為1450r/min ,因此，測速發(fā)電機發(fā)出最高電壓為29V，給定電源10V,只要適當取反饋系數(shù)，即可滿足系統(tǒng)要求。1.5.2.2轉速負反饋環(huán)節(jié) 設轉速反饋濾波時間常數(shù)：Ton=0.01s,則轉速反饋系數(shù)=Un*/nN=10/1450=0.007Vmin/r1.5.2.3電流負反饋環(huán)節(jié) 設電流反饋濾波時間常數(shù)：Toi=0.02s,則電流反饋系數(shù) =0.0032V/A1.5.2.4調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù) 電動機電動勢常數(shù) ： Ce=0.12按要求調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)速降：nN=7.63r/min1.6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)設計1.6.1電流調(diào)節(jié)器的設計1.6.1.1確定時間常數(shù)

25、 在三相橋式全控電路有：已知，所以電流環(huán)小時間常數(shù)=0.0017+0.002=0.0037S。1.6.1.2選擇電流調(diào)節(jié)器的結構因為電流超調(diào)量，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型型系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，故可用PI型電流調(diào)節(jié)器 。 電流調(diào)機器的比例系數(shù) 電流調(diào)節(jié)器的超前時間系數(shù) 1.6.1.3電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計算： 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)=0.03s，又因為設計要求電流超調(diào)量，查得有=0.5，所以=，電樞回路總電阻R=2=0.6，所以ACR的比例系數(shù) =1.6.1.4校驗近似條件電流環(huán)截止頻率=135.1。晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件： > ，滿足條件。忽略反電動勢變

26、化對電流環(huán)動態(tài)影響條件： ，滿足條件。電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：，滿足條件。1.6.1.5 計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容取運算放大器的=40，有=4.3240=511.68，取172.8,取180，取0.,2，取0.2。故=，其結構圖如下所示： 圖1.5 電流調(diào)節(jié)器 1.6.2 轉速調(diào)節(jié)器的設計 1.6.2.1 確定時間常數(shù)：有則，已知轉速環(huán)濾波時間常數(shù)=0.01s，故轉速環(huán)小時間常數(shù)。1.6.2.2選擇轉速調(diào)節(jié)器結構：按設計要求，選用PI調(diào)節(jié)器 轉速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)轉速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)1.6.2.3計算轉速調(diào)節(jié)器參數(shù)：按跟隨和抗干擾性能較好原則，取h=5,則ASR的超前時間常數(shù)為：，轉速環(huán)

27、開環(huán)增益 。ASR的比例系數(shù)為：。1.6.2.4檢驗近似條件轉速環(huán)截止頻率為。電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為，滿足條件。轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：，滿足近似條件。1.6.2.5計算調(diào)節(jié)器電阻和電容：取=40，則，取3000。，取0.1，取1。故。其結構圖如下： 圖1.6 轉速調(diào)節(jié)器校核轉速超調(diào)量：由h=5，查得，不滿足設計要求，應使ASR 退飽和，重計算。設理想空載z=0，h=5時，查得=77.5%，所以 =0.00264 =0.264% < 10%滿足設計要求.2 MATLAB仿真本次系統(tǒng)仿真采用目前比較流行的控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB，使用MATLAB對控制系統(tǒng)進行計算機仿真的主要

28、方法有兩種，一是以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎，使用MATLAB的SIMULINK工具箱對其進行計算機仿真研究。另外一種是面向控制系統(tǒng)電氣原理結構圖，使用Power System工具箱進行調(diào)速系統(tǒng)仿真的新方法。本次系統(tǒng)仿真采用后一種方法。2.1 系統(tǒng)的建模與參數(shù)設置2.1.1 開環(huán)物理模型的構建表2-1 Z2-91型電動機具體參數(shù)電動機型號PN(KW)UN(V)IN(A)NN(r/min)Ra()GDa2（Nm2）P極對數(shù)Z2-914823020914500.358.021根據(jù)Z2-91型電動機具體參數(shù)電動機的額定電流為209A，仿真結果基本符合要求。給定10V仿真結果也符合要求。此為開環(huán)物理模型

29、。圖2-1開環(huán)物理模型2.1.2 單閉環(huán)物理模型的構建 圖2-2為轉速單閉環(huán)物理模型及其仿真結果。給定105，限幅值80，0，采用PI控制器的單閉環(huán)系統(tǒng)，雖然實現(xiàn)了轉速的無靜差調(diào)速，但因其結構中含有電流截止負反饋環(huán)節(jié)，限制了起制動的最大電流。加上電機反電勢隨著轉速的上升而增加，使電流達到最大值之后迅速降下來。這樣，電動機轉速也減小下來，使起動過程變慢，起動時間增長。圖2-2單閉環(huán)物理模型2.1.3 雙閉環(huán)物理模型的構建為了提高生產(chǎn)率和加工質量，要求盡量縮短過渡過程時間。我們希望使電流在起動時始終保持在最大允許值上，電動機輸出最大轉矩，從而可使轉速直線上升過渡過程時間大大縮短。為了實現(xiàn)轉速和電流

30、兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。轉速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路模型主要由交流電源、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管直流橋、平波電抗器、直流電動機等部分組成。采用面向電氣原理結構圖方法構成的雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型如圖4-3所示。給定為105，ASR、ACR的限幅值分別為12，-25和80,0，啟動時間0.4s,仿真結果符合要求。 圖2-3 轉速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型2.2系統(tǒng)動態(tài)仿真結果的輸出及結果分析2.2.1 開環(huán)數(shù)學模型圖2-4開環(huán)數(shù)學模型2.2.2 單閉環(huán)數(shù)學模型及其仿真結果圖2-5轉速單閉環(huán)數(shù)學模型 當轉速達到給

31、定值后。轉速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零，但是由于積分作用，其輸出還很大，所以出現(xiàn)超調(diào)。轉速超調(diào)后，ASR輸入端出現(xiàn)負偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，進入線性調(diào)節(jié)，使轉速保持恒定即額定轉1450。單閉環(huán)ASR Kp=53.6 Ki=616.1 限幅值【0 1】【-20 20】。2.2.3 雙閉環(huán)數(shù)學模型及其仿真結果 圖2-6雙閉環(huán)數(shù)學模型轉速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的控制電路包括：給定環(huán)節(jié)、ASR、ACR、限幅器、偏置電路、反相器、電流反饋環(huán)、速度反饋環(huán)等，給定10V，ASR的限幅值為15，-10，ACR的限幅值為20，-10。因為在本次設計中單片機代替了控制電路絕大多數(shù)的器件，所以在此直接給

32、出各部分的參數(shù)，各部分參數(shù)設置參考前幾章各部分的參數(shù)。本系統(tǒng)選擇的仿真算法為ode23tb，仿真Start time設為0，Stop time設為10。啟動過程的第一階段是電流上升階段，突加給定電壓，ASR的輸入很大，其輸出很快達到限幅值，電流也很快上升。第二階段，ASR飽和，轉速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電流基本上保持不變，拖動系統(tǒng)恒加速，轉速線形增長。第三階段，當轉速達到給定值后。轉速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零，但是由于積分作用，其輸出還很大，所以出現(xiàn)超調(diào)。轉速超調(diào)后，ASR輸入端出現(xiàn)負偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，進入線性調(diào)節(jié)，使轉速保持恒

33、定即額定轉1450 NN(r/min)，實際仿真結果基本上反映了這一點。2.3系統(tǒng)仿真結果總體分析2.3.1.電機轉速曲線在電流上升階段，由于電動機機械慣性較大，不能立即啟動。此時轉速調(diào)節(jié)器ASR飽和，電流調(diào)節(jié)器ACR起主要作用。轉速一直上升。當?shù)竭_恒流升速階段時，ASR一直處于飽和狀態(tài)，轉速負反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)為恒值電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，因此，系統(tǒng)的加速度為恒值，電動機轉速呈線性增長直至給定轉速。使系統(tǒng)在最短時間內(nèi)完成啟動。當轉速上升到額定轉速時，ASR的輸入偏差為0，但其輸出由于積分作用仍然保持限幅值，這時電流也保持為最大值，導致轉速繼續(xù)上升，出現(xiàn)轉速超調(diào)。轉速超調(diào)后，極性發(fā)生了變化，則ASR推出飽和。其輸出電壓立即從限幅值下降，主電流也隨之下降。此后